黏土矿物功能化的界面模拟

目前黏土矿物的理论研究,主要还停留在研究矿物在环境变化影响下的结构变化。为了提高黏土矿物的产品附加值,人们开始关注黏土矿物的深加工改性与综合利用。关于黏土矿物表面和本征结构改性的计算模拟在国内外已经初步展开,但仍有待深入研究[1-2]。如何有效地结合理论和实验研究,阐明黏土矿物功能化后的结构与性能变化,是矿物材料的一个研究重点。课题组通过系统分析黏土矿物功能化过程中铝、硅骨架的改变程度,研究探讨铝硅酸盐及其衍生产物在表面改性和本征改性下的几何结构和电子、光学性能变化。以Sb2S3/二氧化硅纳米管表面结构的理论模型为例,通过DFT计算研究了功能纳米颗粒在有机功能化黏土矿物表面负载的界面机理[3],研究了功能化前后几何结构与电子结构的变化及纳米颗粒尺寸效应的影响、硅氧四面体外表面嫁接巯丙基在吸附纳米颗粒中起到的作用,发现当杂化纳米复合物各个组分的电子结构发生显著杂化,其主要光学性能由负载的纳米颗粒的电子结构决定,并证实了从功能颗粒到矿物基体的电荷转移,且DFT计算得到的电子结构信息将有利于未来对这类复合材料的原子尺度研究,可为以功能化黏土矿物表面结构为多功能基体合成功能特性可调的纳米复合材料提供理论借鉴。结合DFT计算,研究了由凹凸棒石为硅源制备的Au/Al-MCM-41的电子结构和光学性能,以及金和Al-MCM-41基体的相互作用,发现所制备材料相对于Au-MCM-4l材料的吸收边蓝移源于黏土矿物中的Al源的电荷补偿效应[4]。在研究埃洛石制备含铝介孔二氧化硅管的过程中铝脱除过程和硅缩聚过程的原子结构变化时,结合实验表征及DFT计算,发现NMR谱随硅氧结构变化的总体趋势与一般经验规律相似,即与Q3结构成键的Al越少则NMR化学位移数值越低[5]。课题组正在开展的研究工作主要集中在黏土矿物脱Al后氢键重构作用下Si原子附近局域产生的结构形变,分析负载埃洛石表面的局域结构和电子性能变化,以期深度解析埃洛石表面功能化后Al原子与负载原子的电荷转移,以及埃洛石基体和表面负载的纳米功能颗粒的电子转移规律,为矿物基复合功能材料的性能提升提供思路。     

黏土矿物污染控制材料及其高效利用

黏土矿物具有特殊的纳米片层结构、含可交换性层间阳离子、微观结构及表面物理化学性质易调控;因此,黏土矿物及其改性产物对多种环境污染物有良好的吸附/催化性能,在污染控制领域有良好的应用前景。近年来,课题组以蒙脱石和层状双金属氢氧化物(LDH)为代表,研究了它们在污染控制领域的资源利用:1)研究了蒙脱石、LDH、LDO(LDH煅烧产物)对染料分子的吸附特征,发现它们对染料分子的吸附性能可优于活性炭;通过碳化处理废弃黏土矿物的方法,制备了系列类石墨烯纳米碳材料及多孔碳材料,所得碳材料显示了良好的电催化性能或吸附性能。2)研究了蒙脱石对重金属离子的吸附特征,并通过热处理实现了重金属离子的层间域/片层结构内的原位锁定。3)研究了羟基金属改性蒙脱石对重金属离子和含氧酸根的协同吸附机制,并发现吸附产物(如吸附了磷酸根和Cu2+的羟基铁柱撑蒙脱石)可用于光催化降解有机污染物。4)综合运用实验研究和分子模拟技术,研究了有机改性蒙脱石对疏水性有机污染物的吸附机制,发现表面活性剂堆垛密度是决定有机黏土吸附性能的关键因素,并采用阳离子聚合物来调控层间域表面活性剂堆垛密度,优化了有机黏土吸附性能。5)采用阳离子表面活性剂和羟基金属共同插层的方法,制备了有机-无机复合蒙脱石,发现了其能同时吸附有机物和含氧酸根离子。课题组的研究工作综合运用了实验研究和分子模拟,包括了基础理论研究和应用研究,涉及了黏土矿物及其改性产物的吸附、催化性能,并探讨多种废弃黏土矿物的资源回用技术。研究结果对实现黏土矿物在污染控制领域的高效资源利用提供了新信息。     

杀菌黏土矿物的研究进展与前景展望

黏土矿物具有特殊的层状结构与吸附性强、表面活性高、层间可交换阳离子丰富等理化特征,已被广泛应用于工业材料制造及环境修复等领域。而在医学领域,传统抗生素的滥用导致细菌的耐药性不断增强与全球流行,引发医学界对于现存抗生素有效性的担忧,开发新型杀菌药物迫在眉睫。尽管历史上已有黏土矿物缓解伤口脓肿、治疗消化不良及关节炎等病症的记载,现代分析技术的进步才使得研究者能够对黏土矿物及其杀菌机理进一步研究,从而深入挖掘其作为抗菌药物的潜在医学价值。近年来,国内外研究学者先后报道了黏土矿物自身广谱的杀菌能力,并指出其杀菌活性与矿物溶出的金属离子、其片层结构中赋存的活性铁、黏土表面带电性以及产生的活性氧基团(reactive oxygen species, ROS)等相关。另一方面,黏土矿物作为药物分子载体,可以增强杀菌药物的物理性能与杀菌活性,被广泛用于制备复合杀菌材料。本文综合近年来国内外研究团队对医药黏土的杀菌能力、过程与机理研究,探讨常见黏土矿物具备杀菌活性的必要条件与共性特征,简述黏土矿物作为有效载体所制备的杀菌材料,指明当前医药黏土矿物研发过程中存在的问题,为今后医药黏土研发提供些许建议。     

硅柱撑黏土矿物的“非胶束模板”成孔机制

正多孔黏土异质结构材料(PCHs)是以长链烷基铵为模板剂,以黏土矿物为基体制备的一类柱撑材料。PCHs独特的孔径分布范围弥补了微孔性柱撑黏土矿物和介孔硅之间的孔径分布间隙。其有希望成为良好的吸附剂、催化剂、载体或合成其他多孔材料的模板。因此,PCHs的成孔机制和有效的结构控制尤为重要。长期以来,PCHs的成孔机制一直参照介孔硅的分子     

pH值对纳米金在伊利石表面吸附的影响

<正>探索纳米粒子在矿物表面的吸附和沉积规律对研究纳米粒子的环境影响及纳米金属矿床成因有重要意义。纳米材料全球产量到2016年估计将高达44 267 t。这些纳米材料在生产、使用和排放过程中,可能会进入大气、水体和土壤等环境要素,对环境和人类健康造成潜在危害。纳米粒子在矿物表面的吸附和沉积会直接影响纳米粒子在环境中的迁移和归趋。另一方面,自然界中存在纳米贵金属矿床。例如在卡林型金矿中,存在以黄铁矿、毒砂和黏土作为主要载体矿物的纳米金。研究纳米金属矿物与载体矿物的相互作     

天然黏土矿物和腐殖酸对纳米乳化油吸持的实验研究

为探讨天然黏土矿物及有机质对纳米乳化油在多孔介质中迁移滞留的影响，本文选取高岭石和蒙脱石这两种黏土矿物以及有机质的典型代表腐殖酸，开展了单一矿物、有机质及有机矿质复合物对纳米乳化油的吸持批实验研究，并运用比表面积全分析、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)等技术手段探讨了吸持机理。实验结果表明，介质对纳米乳化油的吸持均符合Freundlich模型；单一矿物及腐殖酸对纳米乳化油的吸持能力表现为：蒙脱石>腐殖酸>高岭石，有机矿质复合样品的吸持能力表现为：蒙脱石-腐殖酸>高岭石-腐殖酸，且均大于其对应的单一样品，出现了“1+1>2”的现象，表明介质组成越复杂，对纳米乳化油的吸持滞留程度越大。进一步分析证实，纳米乳化油主要通过氢键和疏水作用吸持在矿物和腐殖酸表面，表面结构性质是高岭石和蒙脱石吸持过程中的主导因素，因此蒙脱石具有更强的吸持能力，而腐殖酸的吸持主要通过颗粒间聚集作用来实现；对于复合样品，吸持主要通过氢键、配体交换和疏水作用结合来实现。腐殖酸与矿物的复合会增加吸持位点并且增强矿物表面疏水性，从而促进吸持。腐殖酸与纳米乳化油的共吸...     

Si/Ca复合体系改性分散土的崩解特性及作用机制研究

分散土具有遇水分散流失的特性,在工程实践中常采用石灰、水泥等进行改性,但存在环境污染等问题。选取纳米硅溶胶和氯化钙组成Si/Ca复合体系作为分散土的改性材料,采用针孔试验、泥球试验、分散崩解试验研究改性效果,通过物理化学性质等试验分析作用机制。试验结果表明,单一纳米硅溶胶在25%掺量下可完全消除分散性;单一氯化钙在0.40%掺量下可完全消除分散性;1%纳米硅溶胶与0.05%氯化钙组成的Si/Ca复合体系可完全消除土体分散性,有效减少单独使用两种材料的掺量。纳米硅溶胶改性土的崩解过程与分散土存在差异,其最终崩解时间较短,且崩解速率更稳定;与氯化钙共同作用时,最终崩解时间进一步缩短,崩解速率增大。Si/Ca复合体系改性分散土的作用机制包括降低土体的交换性钠离子百分比和pH、形成水化硅酸钙等。研究表明,由纳米硅溶胶和氯化钙组成Si/Ca复合体系可有效改性分散土。     

川南龙马溪组页岩储层特征及主控因素

以川南长宁页岩气示范区A井页岩气优质产层龙一1小层与非优质产层龙一2小层及龙二段为主要研究对象,从储层矿物组成、纳米孔隙发育特征和赋存载体组合样式及其主控因素等微观层面进行系统对比,进一步明确了两者的差异及相互关系。研究结果显示:1）龙一1小层富含有机质、石英和黄铁矿,页岩孔径分布呈前峰型,纳米孔隙发育主要受TOC含量控制,有机孔是纳米孔隙主要类型,有机质颗粒充填于矿物粒间孔内,被石英和碳酸盐岩等脆性矿物包围,构成“纳米级气藏”;2）龙一2小层和龙二段相对富含黏土矿物和碳酸盐岩,页岩孔径分布以后峰型为主,纳米孔隙发育主要受黏土矿物含量控制,黏土矿物粒间孔/层间孔是纳米孔隙主要类型,黏土矿物颗粒内部充填纳米孔隙不发育的方解石和白云石,对页岩气运移起到有效阻滞。因此,非优质产层龙一2小层和龙二段实际上是下伏优质产层龙一1小层的有效盖层。川南龙马溪组页岩气选区需同时关注龙一1小层的储集能力和龙一2小层与龙二段等上覆地层的封闭能力。     

单矿物纳米孔隙特征及其在页岩储集层表征中的意义

为研究单矿物纳米孔隙特征及其在页岩储集层表征中的意义,针对11种单矿物开展了N_2吸附实验,结果表明,高岭石、黄铁矿、钙质及长英质矿物以大孔(50 nm)为主,孔隙形态为楔形;其余黏土矿物介孔(2~50 nm)发育,以平行板状孔隙为主;除铁绿泥石和伊利石主要由微孔(2nm)贡献比表面积之外,单矿物多由介孔贡献;黄铁矿、钙质及长英质矿物中以钠长石孔隙最为发育,黏土矿物中则铁绿泥石高岭石伊利石伊蒙混层钙蒙脱石。同时,基于页岩样品SEM结果分析,当页岩孔隙结构特征与单矿物相近时,通过矿物组成加权构建了页岩吸附等温线及孔径分布。其构建效果受有机孔(或TOC)含量的影响。     

黄土高原风尘沉积物中纳米矿物

由黄土-红黏土序列组成的风尘沉积是全球最完整、最连续的陆相古气候载体之一,蕴含了丰富的东亚古季风信息。解读黄土记录的信息以及透彻理解黄土替代指标与古气候的内在联系,都需要从纳米尺度揭示黄土成壤作用过程中碎屑矿物、成壤自生矿物形成与演化。本文利用高分辨透射电镜和场发射扫描电镜,研究了风尘沉积物中磁铁矿氧化的粒径制约、自生磁赤铁矿形成机制,建立了古土壤磁化率增强的成因矿物学理论,为磁化率与古气候的内在联系奠定了矿物基础;发现了第四纪黄土中广泛分布纳米棒状方解石及其含量和微结构显著的规律变化,从生物诱导矿化理论阐述了其形成机制;查明了凹凸棒石在黄土-红黏土序列中的分布规律,提出了古气候变化的黏土矿物响应机制。     

膨胀土与红黏土石灰改性对比试验研究

为探讨石灰改性膨胀土与红黏土的强度发展规律,以生石灰与消石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土为研究对象,进行了无侧限抗压、固结快速直剪和固结压缩试验的对比研究。研究发现：在1 a养生龄期内,石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土无侧限抗压强度与养生龄期的对数基本呈线性关系;按大于最佳含水率3%制样的强度在养生28 d以后高于按最佳含水率制样;生石灰改性效果比消石灰改性效果好,由于矿物成分不同,石灰改性南阳膨胀土的效果比石灰改性郴州红黏土好     

纤蛇纹石/酸浸二氧化硅负载TiO_2复合材料的结构性能及其降解罗丹明B的实验研究

以天然纳米矿物纤蛇纹石和酸浸二氧化硅为载体,钛酸四丁酯为钛源,在室温条件下采用溶胶-凝胶法,制备了负载TiO_2的复合光催化材料。采用气体吸附、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法对载体和不同温度煅烧得到的样品进行微观形貌和结构分析,并在紫外光照射下,以10 mg/L罗丹明B为目标污染物评价不同样品的光催化活性。结果表明,750℃煅烧的酸浸二氧化硅负载TiO_2复合材料的光催化性能最好,光照40 min对罗丹明B的去除率达到91.57%,载体良好的吸附能力能够促进污染物的降解。     

纳米石墨粉红黏土改良机理试验研究

为了探寻纳米石墨粉对区域性红黏土的改良机理,利用TSZ-1型三轴试验仪进行正交试验设计,选用扫描电镜法对试样进行微观结构测试,采用单因素方差分析法分析了纳米石墨粉掺量对红黏土力学特性的敏感性,试验结果表明:纳米石墨粉掺量是改良红黏土抗剪强度参数的显著性影响因素;改良红黏土的主应力差与轴向应变曲线之间整体呈双曲线关系,具有明显峰值应力,表现为应变硬化特征;改良红黏土的抗剪强度可采用线性的Mohr-Coulomb准则来描述;内摩擦角参数表现为随着纳米石墨粉掺量增大基本保持不变,而黏聚力参数具有随掺量的增加先增加后减小的特性;纳米石墨粉对红黏土改良的宏观力学性质,与其对红黏土孔隙结构的影响及红黏土矿物颗粒的黏附胶结密切相关。     

矿物材料学中的纳米组装工程

原子分子组装是材料制备的新方法 ,能够人为调节控制材料性能。在研究矿物材料的基础上文章试图提出矿物材料“纳米组装工程”概念 ,主要包括分子原子组装工程、宏观组构工程、结晶调控三个方面 ,这种在宏观和微观原子、分子尺度上进行组装的纳米结构工程必将推动矿物材料发展。这种方法不但能够开发天然岩石矿物 ,而且 ,能够为材料科学的研究提供很多新线索和课题。(1)对矿物进行纳米级别的分子原子组装工程是获得新材料的有效方法对石墨进行纳米结构工程得到石墨层间化合物。石墨层面内 ,碳原子以ｓｐ2 杂化轨道电子形成的共价键及 2 ｐｚ…     

黏土矿物—水界面的量子力学模拟研究

黏土矿物广泛分布于自然界中,其对地质和地球化学过程有重要意义,也是工业、环境等领域中的重要矿物材料。黏土矿物的众多物化性质均与其表界面结构和性质有关。作为实验研究方法的重要补充,量子力学模拟被广泛用于黏土表界面性质的研究。本文回顾了利用量子分子动力学模拟对黏土矿物-水界面性质的研究,包括表界面结构、表面酸度和离子络合等方面。     

改性尿素的结构变化及其肥效的盆栽试验研究

利用有机-无机(矿物)控释材料对尿素进行改性，制成改性尿素。盆栽试验结果显示，在等重条件下，改性尿素较普通尿素有较大幅度的增产效果。运用X射线衍射及红外光谱分析对改性尿素的结构进行研究，发现其晶体结构发生了较大变化，增加了改性尿素的稳定性，从而延长了其肥效并提高了氮的利用率。     

甘肃临泽正北山凹凸棒石黏土矿物学及形成机制

甘肃省临泽县凹凸棒石黏土矿储量丰富,是重要的天然纳米矿物资源.本文采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)等纳米矿物学的研究手段,对甘肃省临泽县正北山矿区凹凸棒石黏土矿床的矿物组成和微观形貌、结构特征进行了分析.结果表明,不同矿层的矿物成分相似,主要有石英、长石、白云石、方解石、石盐、石膏以...     

纳米结构矿物的特殊结构和表-界面反应性

纳米矿物是纳米地球科学（Nanogeoscience）的核心研究对象之一.鉴于"纳米矿物"的概念在实际运用时较宽泛,有时与经典定义不符,建议用"纳米结构矿物"代替"纳米矿物",并简析了纳米结构矿物（Nanostructured Minerals）的概念.以管状纳米结构矿物（埃洛石和伊毛缟石）、球状纳米结构矿物（水铝英石）、层间纳米结构矿物（蒙脱石和伊/蒙混层矿物）和多孔纳米结构矿物（硅藻质蛋白石）为例,分析了纳米结构矿物的结构、表面基团的特殊性及其所衍生的特殊界面反应性,讨论了它们对矿物资源利用和油气生成等地球物质循环过程的重要意义.      

我国矿物材料研究进展(2000-2010)

本文介绍了我国关于矿物材料定义、分类及矿物材料学内涵的讨论及其发展现状,系统综述了近十年我国功能矿物材料(包括环境、光功能、电功能、声功能、生物医用等矿物材料)、结构矿物材料(包括矿物聚合材料、矿物摩擦材料、矿物复合材料)和纳米矿物材料的研究进展.资料表明:近十年来环境矿物材料依然是我国矿物材料研究最活跃的领域,其中固体废弃物利用研究得到明显加强,电、光、声学功能矿物材料研究相对不足.结构矿物材料方面,矿物聚合材料研究的兴起引人注目.纳米矿物材料则仍以聚合物/层状结构硅酸盐纳米复合材料研究为主.我国矿物材料研究存在的主要问题是研究方向分散、创新性不强、成果推广应用薄弱.笔者指出,今后我国矿物材料研究应更紧密地结合国家经济社会发展的需要和我国矿物资源的特点,大胆创新研究方法和思路,在进一步加强基础研究的同时,更加重视成果的应用与推广.     

矿物储氢研究

目前多孔固体材料储氢的研究已由传统多孔活性碳储氢扩展到了新型多孔碳材料储氢、有机 -金属复合多孔材料储氢及矿物储氢等领域。本文提出了矿物储氢的概念,指出具有储氢功能的矿物主要是具有结构性纳米孔道的结晶物质,其纳米孔道可在一维或多维尺度上分布。对晶体石墨、沸石、坡缕石 -海泡石族矿物作为储氢材料的实验研究进行了评述,并对矿物储氢的机制进行了探讨;文中最后对矿物储氢的研究方向进行了展望。